CN106881559A - 一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法及应用 - Google Patents

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刘秀娟
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Abstract

一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，包括：利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工。本发明所述的超声加工方法能够解决目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费用高的现象。本方法不但可以对刚出厂的机车车轮进行加工，还能对磨损后的机车车轮进行修复加工，其中，采用超声加工方法对机车车轮轮缘和踏面部进行表面加工后，会使轮缘和踏面的金属表面的拉应力变成压应力，轮缘和踏面部表面粗糙度值会大大降低的同时，在其表面预置理想的压应力，其表面的硬度得到了提高，晶粒得到了细化，耐磨性大幅提高，改善了轮轨接触关系，减小轮对的滚动接触疲劳损伤。减小车轮的磨耗速率，延长车轮的镟修周期以及使用寿命。

Description

一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法及应用
技术领域
本发明涉及一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法及应用，属于超声金属表面加工的技术领域。
背景技术
众所周知，铁路运输是基于轮轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的，轮轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源很多，耗资也很大。随着铁路运输向高速、重载发展，因摩擦磨损所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各种损伤，不但缩短了轮轨的使用寿命，在严重磨损后还会导致轮对和钢轨失效，危及行车安全。
车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列车运行中，车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨耗，而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。据失效分析统计，铁道机车车辆车轮损伤的主要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏面剥离和崩裂等。
轮缘是车轮上的重要组成部分，使车轮能可靠地通过曲线和道岔，对列车行驶的安全性及稳定性具有重要作用，轮缘的异常磨耗往往会使正常的轮轨关系发生改变，降低车辆动力性能和乘车舒适度。
火车在经过曲线和道岔时，钢轨对轮对的作用力一部分在车轮的踏面处，另一部分作用于轮对的轮缘部，此时，轮缘部的磨损最快。机车轮对的镟修依据，是通过检测轮缘的厚度来判断，当轮缘的厚度减小到一个确定值时，就需要对轮对进行镟修，否则会影响列车的运行安全。
机车轮对镟修加工现采用的加工方式为数控车削，即当轮对轮缘厚度减小到一定值时，通过数控车削，将车轮直径减小，使车削后的轮缘厚度恢复到要求的数值。经过车削后，不再进行其它的表面处理。经车削后的轮缘部表面粗糙度值一般在Ra值6.3左右。经车削后的轮缘表面处于拉应力状态，拉应力的存在使得轮对初期磨损非常快，从而使轮对的使用寿命大大降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法。
本发明还提供上述加工方法的应用。
本发明的技术方案如下：
一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，包括：对机车车轮的轮缘和踏面进行超声加工，即利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工。
根据本发明优选的，所述机车车轮是新出厂的机车车轮或是磨损后的机车车轮。
根据本发明优选的，当所述机车车轮是磨损后的机车车轮时，对经半精加工后的机车车轮的轮缘和踏面进行超声加工。
根据本发明优选的，对机车车轮的轮缘和踏面进行车削半精加工，即使所述轮缘和踏面的表面粗糙度为3.2-10μm。
根据本发明优选的，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
根据本发明优选的，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为1200N。
根据本发明优选的，利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工，所述超声加工的往返次数为1-3次。
根据本发明优选的，利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工，所述超声加工的振幅为5-25μm。
一种利用如上述超声加工方法以提高机车车轮耐磨性的应用：
针对机车车轮对应存在磨损的区域进行超声加工，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
根据本发明优选的，在所述磨损的区域进行超声加工之前，对其进行车削半精加工，即使其的表面粗糙度为3.2-10μm。
根据本发明优选的，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为1200N。
本发明的优势在于：
本发明所述的超声加工方法能够解决目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费用高的现象。本发明所述的超声加工方法不但可以对刚出厂的机车车轮进行加工，还能对磨损后的机车车轮进行修复加工，其中，采用超声加工方法对机车车轮轮缘和踏面部进行表面加工后，会使轮缘和踏面的金属表面的拉应力变成压应力，轮缘和踏面部表面粗糙度值会大大降低的同时，在其表面预置理想的压应力，其表面的硬度得到了提高，晶粒得到了细化，耐磨性大幅提高，改善了轮轨接触关系，减小轮对的滚动接触疲劳损伤。减小车轮的磨耗速率，延长车轮的镟修周期以及使用寿命。
附图说明
图1是本发明所述利用超声加工方法对机车车轮的加工示意图；
图2是机车车轮上待超声加工的区域示意图，其中虚线部分为待加工区域；
图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、为本发明实施例4中，通过改变超声加工压力对轮缘和踏面超声加工后，所述轮缘和踏面表面金相图；
在图1和图2中，1、超声加工工具头；2、轮缘；3、踏面；4、虚线是指利用超声加工的区域。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1-2所示。
实施例1、
一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，包括：对机车车轮的轮缘2和踏面3进行超声加工，即利用超声加工工具头1对沿主轴旋转的轮缘2和踏面3的表面进行超声加工。所述机车车轮是新出厂的机车车轮。
实施例2、
如实施例1所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其区别在于，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
实施例3、
如实施例1所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其区别在于，所述机车车轮是磨损后的机车车轮。
当所述机车车轮是磨损后的机车车轮时，对经半精加工后的机车车轮的轮缘2和踏面3进行超声加工。
对机车车轮的轮缘2和踏面3进行车削半精加工，即使所述轮缘2和踏面3的表面粗糙度为3.2-10μm。
实施例4、
如实施例2、3所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其区别在于，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头1对待加工表面的压力为1200N。
如本实施例，改变超声加工工具头对待加工表面的压力分别为：100N、300N、1200N、3000N、3500N，经加工后所述车轮轮缘和踏面的残余应力均值如下：
其中图3a为超声加工工具头对待加工表面的压力为100N时，所加工出的轮缘2和踏面3表面的金相图；
其中图3b为超声加工工具头对待加工表面的压力为300N时，所加工出的轮缘和踏面表面的金相图；
其中图3c为超声加工工具头对待加工表面的压力为1200N时，所加工出的轮缘和踏面表面的金相图；
其中图3d为超声加工工具头对待加工表面的压力为3000N时，所加工出的轮缘和踏面表面的金相图；
其中图3e为超声加工工具头对待加工表面的压力为3500N时，所加工出的轮缘和踏面表面的金相图。
实施例5、
如实施例2、3所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其区别在于，利用超声加工工具头1对沿主轴旋转的轮缘2和踏面3的表面进行超声加工，所述超声加工的往返次数为1-3次。
实施例6、
如实施例2、3所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其区别在于，利用超声加工工具头1对沿主轴旋转的轮缘2和踏面3的表面进行超声加工，所述超声加工的振幅为5-25μm。
实施例7、
一种利用如实施例1-6所述超声加工方法以提高机车车轮耐磨性的应用：
针对机车车轮对应存在磨损的区域进行超声加工，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
实施例8、
一种利用如实施例7所述提高机车车轮耐磨性的应用，其区别在于，在所述磨损的区域进行超声加工之前，对其进行车削半精加工，即使其的表面粗糙度为3.2-10μm。
实施例9、
一种利用如实施例7所述提高机车车轮耐磨性的应用，其区别在于，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头1对待加工表面的压力为1200N。
试验对比例：
对实施例3和实施例4中加工后的机车车轮进行试验对比如下：
在机车车轮的表面进行超声加工的过程中，影响加工效果的因素有主轴转速、进给量和压力，本试验将上述三个因素作为试验因素，分别记作A(对应主轴转速)、B(对应进给量)和C(对应压力)。本试验对比例中确定各因素分别取三个水平，即：
A(对应主轴转速)对应的三个标准包括：A1＝5r/min；A2＝19r/min；A3＝45r/min；
B(对应进给量)对应的三个标准包括：B1＝0.03mm/r；B2＝0.1mm/r；B3＝0.2mm/r；
C(对应压力)对应的三个标准包括：C1＝300N；C2＝1200N；C3＝3000N。
表1：超声加工应用于机车车轮表面耐磨性能试验参数
由表1的试验数据可知，当A(对应主轴转速)对应A2＝19r/min、B(对应进给量)对应B2＝0.1mm/r、C(对应压力)对应C2＝1200N时，得到最佳的表面粗糙度、硬度、硬度提高均是最高。
下面再结合正交试验对上述数据进行分析，以验证是否也是当A(对应主轴转速)对应A2＝19r/min、B(对应进给量)对应B2＝0.1mm/r、C(对应压力)对应C2＝1200N时，得到最佳的表面粗糙度、硬度、硬度提高均是最高。
正交试验数据分析：
A1＝5r/min；A2＝19r/min；A3＝45r/min；
B(对应进给量)对应的三个标准包括：B1＝0.03mm/r；B2＝0.1mm/r；B3＝0.2mm/r；
C(对应压力)对应的三个标准包括：C1＝300N；C2＝1200N；C3＝3000N。
表2：三个试验因素水平表
按照正交试验数据方法，可以选用L9(34)或L27(313)；因本试验仅考察三个因素对机车车轮表面加工效果的影响，不考察因素间的交互作用，故选用L9(34)正交表。
在L9(34)正交表中填入各因素的水平值，便形成了正交试验方案(表3)：
表3：正交试验方案
从表3中直观可以看出，主轴转速为19r/min，进给量为0.1mm/r，压力为1200N时钢轨与车轮的总磨损率最小，其水平组合为A2B2C2。
对试验的结果进行分析
1.从滑动磨损的总磨损率进行分析，表4
对于因素A主轴转速来说，可以看出k1＞k3＞k2。由于结果指标为磨损率，期望得到磨损率的最小值，所以可以判断A2为A因素的优水平。
同理可以得到因素B和因素C的优水平分别为B2和C2。因此优组合为A2B2C2。另外从极差R的大小可以看出，在三个实验因素中，因素B进给量对滑动磨损率的影响最大。
2.从滚动磨损的总磨损率进行分析，表5
对于因素A主轴转速来说，可以看出k1＞k3＞k2。由于结果指标为磨损率，期望得到磨损率的最小值，所以可以判断A2为A因素的优水平。
同理可以得到因素B和因素C的优水平分别为B2和C2。因此优组合为A2B2C2。另外从极差R的大小可以看出，在三个实验因素中，因素B进给量对滚动磨损率的影响最大。
由滑动磨损率的分析结果及滚动磨损率的结果可知，优组合均为A2B2C2，因此选取A2B2C2对应的参数加工的工件进行摩擦磨损试验。试验结果表明，经表面处理后，在滚动磨损和滑动磨损试验中车轮试样的耐磨性均提高了50％以上，同时，经表面处理后的车轮对钢轨试样的磨损率也明显降低。

Claims (10)

1.一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，该方法包括：对机车车轮的轮缘和踏面进行超声加工，即利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工。
2.根据权利要求1所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，所述机车车轮是新出厂的机车车轮或是磨损后的机车车轮。
3.根据权利要求2所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，当所述机车车轮是磨损后的机车车轮时，对经半精加工后的机车车轮的轮缘和踏面进行超声加工。
4.根据权利要求3所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，对机车车轮的轮缘和踏面进行车削半精加工，即使所述轮缘和踏面的表面粗糙度为3.2-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
6.根据权利要求5所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为1200N。
7.根据权利要求5所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工，所述超声加工的往返次数为1-3次。
8.根据权利要求5所述的一种提高机车车轮耐磨性的超声加工方法，其特征在于，利用超声加工工具头对沿主轴旋转的轮缘和踏面的表面进行超声加工，所述超声加工的振幅为5-25μm。
9.一种利用如权利要求1-8任意一项所述超声加工方法以提高机车车轮耐磨性的应用，其特征在于，针对机车车轮对应存在磨损的区域进行超声加工，所述超声加工的参数为：主轴的转速为5-45r/min；进给量为0.03-0.2mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为300-3000N。
10.如权利要求9所述的提高机车车轮耐磨性的应用，其特征在于，在所述磨损的区域进行超声加工之前，对其进行车削半精加工，即使其的表面粗糙度为3.2-10μm；优选的，所述超声加工的参数为：主轴的转速为19r/min；进给量为0.1mm/r；超声加工工具头对待加工表面的压力为1200N。
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